工業場合訊號調節難題多 放大器轉換率不可輕忽

2016-08-29
在工業資料採集領域裡是極為多樣化的,像是溫度、壓力、濕度、張力和其他各種物理現象⋯等等的測量。運算放大器是通常存在於工業控制和自動化應用中的訊號調節電路不可或缺的一部分。
這些放大器提供可用於緩衝、放大和/或過濾訊號的基本構件。此外,也可能需要在極限溫度、離心力和電氣雜訊環境等惡劣條件下進行上述測量。系統設計人員必須全力設計適當的訊號調節電路來處理這些環境問題,並且不可忽視運算放大器的速度。  

就運算放大器而言,速度受許多因素影響。頻寬也許是第一個關鍵參數,也就是說,此放大器是否具有應用所需的足夠頻寬?除了頻寬是一個明確的關鍵參數外,就速度而言,放大器的轉換率(Slew Rate)也非常重要。  

轉換率  

放大器的轉換率是其輸出電壓的最大變化率,通常這個表示為V/μs。為了可以無失真地再呈現訊號,放大器必須要能夠使輸出訊號的變化速度等於(或快於)輸入訊號的變化速度(見圖1)。放大器的全功率頻寬是放大器在其有限的轉換率基礎上使訊號不失真的最大頻率。  

圖1 轉換率對方波的影響

公式可表示為:  




其中:FPBW為全功率頻寬;Vp為放大器的峰值輸出擺幅。  

應用實例  

以下用一個實例來說明轉換率造成的差異:設計人員需要開發一個電路來監控工業馬達的振動,此電路是早期故障指示器的一部分。針對該應用,設計人員確定所關注訊號的最大頻率為100kHz。運算放大器用於捕捉和放大這些振動波形以供進一步分析。放大器通過3V電源供電,輸出可軌到軌(Rail-to-Rail)擺動,因此放大器輸出上的峰值電壓為1.5V。  

從頻寬的角度看,通常會選擇的頻寬會比所關注訊號高出一個數量級的放大器(假設這種情況下採用單位增益)。因此在本實例中,頻寬為1MHz的放大器剛好滿足要求。  

現在看一下微芯(Microchip)的放大器產品組合,MCP6V01似乎很合適。它具有1.3MHz的頻寬,其零漂移架構非常適合該電路所處的惡劣雜訊環境。接下來看一下其轉換率。MCP6V01的轉換率典型值指定為0.5V/μs(500,000V/s)。將這些數字代入上面的公式中,得出的全功率頻寬為:  




這表示,在100kHz的最大輸入頻率下,MCP6V01的轉換率將受限,從而導致輸出訊號失真。因此,對於該應用而言,選擇一個轉換率更高的運算放大器(例如MCP6V26轉換率1V/us,見圖2)會是更好的選擇,因為即使輸入訊號的頻率達到100kHz,其轉換率也不受限。  

圖2 轉換率更高的運算放大器實例

在用戶瞭解許多運算放大器後,將發現頻寬與轉換率似乎直接相關,因為其中一個參數增大時,另一個也相應增大。通常,放大器的轉換率等於其尾電流除以其補償電容(放大器內部設計的一部分)。運放的頻寬越高,其尾電流通常越大,因此具有更高的轉換率。不過,可以在減小補償電容的同時保持相同的尾電流。儘管這可實現更高的轉換率,但代價是頻寬降低、雜訊增大和偏壓升高。  

另外,還有其他技術和架構可實現更高的轉換率,但對於通用運算放大器而言,頻寬和轉換率往往彼此緊密相隨。  

為工業應用設計訊號調節電路時,必須考慮許多因素。極限溫度、電氣雜訊和長距離訊號傳輸只是諸多影響因素中的一部分。面臨這些設計挑戰時,設計人員很容易忽視電路的速度需求。因此,在下次需要選擇運算放大器並關注速度時,請務必考慮放大器的轉換率,而不僅僅是其頻寬。  

(本文作者任職於微芯)

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